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全球定位系统 GPS 内容概要 一GPS基础知识 一 GPS及其背景 二 GPS的特点 三 GPS的系统组成 四 GPS的功能二GPS定位原理三GPS实施步骤 第一章GPS基础知识第一节GPS及其背景1957年10月第一颗人造卫星发射成功以后 1958年底 美国海军武器实验室就着手建立为美国军方军用舰艇导航服务的卫星系统 即 海军导航卫星系统 NavyNavigationSatelliteSystem 但是由于该系统的卫星数目较少 5 6 运行高度较低 平均约1000km 从地面站观测到卫星的时间间隔较长 平均约1 5小时 因而它无法提供连续的实时三维导航 加上获得一次导航解的时间较长 所以难以充分满足军事方面的需要 尤其是高动态目标 飞机 导弹 为了满足军事和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求 1973年美国国防部便开始组织海陆空三军 共同研究建立新一代的卫星导航系统 这就是目前所称的 授时与测距导航系统 全球定位系统 navigationsystemtimingandranging globalpositioningsystem 简称NAVSTAR GPS 通常简称为 全球定位系统 三代卫星 GPS与NNSS的主要特征比较 注 NNSS是美国于1964年建成的海军导航系统 第二节GPS的特点全球性 全天候 高精度 保密性 GPS测量与经典测量方法的对比 不需要相互通视定位精度高 小于50km基线 精度可达mm级 观测时间短白天和夜间均可作业提供三维坐标操作简单 第三节GPS的系统组成 空间部分GPS卫星组成 用户部分GPS接收机 控制部分1个主控站3个注入站5个监控站 注入站 监控站 主控站 提供星历和时间信息发射伪距和载波信号提供其它辅助信息 地面控制部分 中心控制系统实现时间同步跟踪卫星进行定轨包括数据采集和注入 接收卫星信号记录处理数据提供导航定位信息 24颗卫星 21 3 6个轨道平面55 轨道倾角20200km轨道高度 地面高度 11小时58分 恒星时 轨道周期5个多小时出现在地平线以上 每颗星 在全球各处能观测到高度角 15 的卫星4颗以上 4 11 GPS卫星空间分布 目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了32颗 GSP地面控制站分布 一个主控站 科罗拉多 斯必灵司 推遍星历及修正参数 时间基准 轨道纠偏 启动备用卫星 三个注入站 阿松森 Ascencion 大西洋迭哥 伽西亚 DiegoGarcia 印度洋卡瓦加兰 kwajalein 太平洋五个监测站 1个主控站 3个注入站 夏威夷 Hawaii GPS用户部分 用户设备主要包括GPS接收机和数据处理软件 以及计算机和其他终端设备 车船导航 包括我们日常所见的单频和双拼接收机以及手持GPS接收机等 软件主要包括数据预处理软件 基线向量处理软件 网平差软件 联合平差软件和数据库处理软件等 GPS用户部分的应用导航海空导航 车辆引行 导弹制导等测速其精度可达0 1m s测时与授时其精度可达340ns 1纳秒 10 9秒 定位 第二章GPS定位原理 依定位时的状态动态定位 接收机处于运动状态静态定位 接收机固定 相对静止依定位模式绝对定位 单点定位 确定观测站相对于地球质心的位置相对定位 差分定位 确定接收机之间的相对位置 依定位采用的观测值测码伪距测量 观测对象为数据码 载波相位测量 观察对象为载波 依时效实时定位事后定位 第一节GPS测量定位模式 相对定位的模式 静态模式 两套以上的接受设备 分别安置在基线的端点 同步观测一组卫星一定的时段 该模式基线精度约为5mm 1ppm 快速静态模式 在测区中部安置一台基准站 另一台接收机依次到各点流动设站 并且在每一个测站观测1 2分钟 该模式要求卫星数不少于5个 流动站和基准站距离不大于15公里 该模式的基线精度约为5mm 1ppm 动态模式 在测区选择基准站安置接收机 连续跟踪可见卫星 另一台接收机安置在移动载体上 在出发点静态定位观测1 2分钟 运动的接收机从出发点开始观测 一般该模式要求卫星数不少于5个 流动站和基准站距离不大于15公里 该模式基线精度1 2厘米 实时动态模式 在测区选择基准站安置接收机 连续跟踪可见卫星 并将其观测量通过无线电设备实时传输给流动站 流动站接受卫星信号的同时也接受基准站信号 然后解算流动站的三维坐标 其精度可达厘米级 第二节GPS伪距定位原理 信号构成基本频率 f0 10 23MHz1 载波 L1 154f0 1575 42MHz波长 19 03cmL2 120f0 1227 60MHz波长 24 42cm2 测距码 C A码频率 f0 10 1 023MHz对应时间1ms 码元宽度对应的波长 293mP码频率 f0 10 23MHz码长235469592765000位 对应时间266 4天码元宽度对应的波长 29 3mL1载波调制有C A码和P码L2载波仅调制有P码3 导航电文 包含了有关卫星星历 卫星工作状态 时间系统 卫星钟运行状态 轨道摄动改正 大气折射改正和由C A码捕获P码等导航信息的数据码 D码 GPS卫星信号结构 每颗GPS卫星发射一组无线电信号每组信号包括两个载波 L1与L2 及两种码 L1上调制的C A码 L1和L2上的P码或Y码 还有卫星轨道信息所有信号均由同一个震荡器产生 基准频率10 23MHz L11575 42MHz C A码1 023MHz P或Y 码10 23MHz L21227 60 P或Y码10 23MHz 信息码50Hz x120 x154 10 第二节GPS伪距定位原理 导航点位是按空间后方距离交会的方法计算出来卫星是 沿轨道运动的控制点 采用码相关技术测定接收机至每颗卫星的距离 伪距 距离观测值的计算 接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的接收机本身按同一公式复制码信号比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟时间 t传播延迟时间乘以光速就得到距离观测值 C t 伪距单点定位的应用特点既能用于静态定位 也可进行动态定位而用于导航定位速度快 实时性好对信号的强度要求不高但定位精度较低 理论上为10米 30米 在SA和AS技术作用下误差达100米以上 第三节GPS载波相位定位原理 采用载波相位观测值 卫星广播的电磁波信号 由于测距码的码元长度较长 导致伪距的测量精度不高 而卫星发射的载波波长比测距码要短很多 将载波作为一个测量对象 就可以得到高精度的星站距离 其原理就是在接收机在对卫星进行跟踪测量的时候 本身也产生一个与载波相同的基准信号 接收机接收到载波信号 先进行解调 恢复成单纯的余弦波 在于基准信号混频 得到一个新的差频信号 差频信号的相位就是基准信号与接受信号的相位差值 所谓的载波相位测量就是混频后的差频信号的相位值 L1载波 L2载波 C A码 P 码 p 29 3m L2 24cm L1 19cm C A 293m 载波相位测量的特点定位精度比伪距定位精度高可用于进行静态绝对定位 静态相对定位 差分动态定位 第四节GPS相对定位原理 差分定位 相对定位是用两台 或多台 接收机分别安置在一条 或多条 基线的两端 同步观测相同的GPS卫星 以确定基线端点的相对位置或基线向量 可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟的误差 可以消去轨道 星历 误差的影响可以削弱大气折射对观测值的影响 组成星际站际两次差分观测值 伪距差分测量精度可达0 5m 5m此种测量形式一般称为DGPS 基线向量 B A 伪距差分定位技术 如果使用载波差分或同时使用载波差分及伪距差分则定位精度可达5 10mm 1ppm 基线向量 B A 载波相位差分定位技术 第三章GPS实施步骤 静态GPS测量动态GPS测量 第一节GPS静态测量作业步骤 GPS控制网的技术设计GPS控制网网形设计踏勘选点 修改网形 设置点位标志编制作业进度计划 进行星历预报外业观测和概算内业处理和检验坐标系统转换和高程拟合成果报告的编制和资料验收 一 控制网的应用范围二 分级布网大城市可分3级 中小城市可分2级三 GPS测量的精度标准 四 坐标系统与起算数据椭球参数 中央子午线 纵横坐标加常数 投影面高程 起算点的坐标及其精度五 GPS高程六 选点原则和点位标志 级别a mm b平均距离 km AA 3 0 011000A 5 0 1300B 8 170C 10 510 15D 10 105 10E 10 200 2 5 连测部分水准点 C D E级应按四等水准进行连测 1 GPS控制网的技术设计 一 各级GPS控制网必须布设成由独立基线构成的闭合图形或附合路线二 最简独立闭合环或符合路线边数应符合下表规定 三 N台接收机同步观测时的特点有N N 1 2条同步基线 但只有N 1条基线是独立的 2 GPS控制网的网形设计 N 4 N 2 N 3 仪器台数同步图形独立基线 N 5 GPS控制网的观测基线 GPS网设计的一般原则应通过独立观测边构成闭合图形 以增加检核条件 提高网的可靠性 应尽量与原有地面控制网相重合 重合点一般不少于3个 且分布均匀 应考虑与水准点相重合 或在网中布设一定密度的水准联测点 点应设在视野开阔和容易到达的地方 联测方向 可在网点附近布设一通视良好的方位点 以建立联测方向 根据GPS测量的不同用途 GPS网的独立观测边均应构成一定的几何图形 基本形式有 1 三角形网2 环形网3 星形网 1 三角形网 优点 图形几何结构强 具有较多的检核条件 平差后网中相邻点间基线向量的精度比较均匀 缺点 观测工作量大 一般只有在网的精度和可靠性要求较高时 才单独采用这种图形 2 环形网 优点 观测工作量较小 且具有较好的自检性和可靠性 缺点 非直接观测基线边 或间接边 精度较直接观测边低 相邻点间的基线精度分布不均匀 是大地测量和精密工程测量中普遍采用的图形 通常采用上述两种图形的混合图形 3 星形网 优点 观测中只需要两台GPS接收机 作业简单 缺点 几何图形简单 检验和发现粗差能力差 广泛用于工程测量 边界测量 地籍测量和碎部测量等 典型的布网形式1 点连2 边连3 混连 点连 边连 混连 GPS控制网的网形发展形式 3 GPS的数据处理 数据传输基线向量解算闭合环检核 同步环和异步环 重复基线检核WGS 84自由网平差和三维约束平差二维约束平差 在C80或C54坐标系 高程拟合 注意事项 一般静态控制测量对技术 人员和设备要求较高 多为专业测绘机构完成 但是上交资料要齐备 上交资料成果 测量任务书 技术设计 点之记 环视图 选点埋石资料 接收设备及其他仪器的检定材料 外业观测手簿及其他记录 数据处理生成的文件 资料 成果表 gps网点图 技术总结报告和成果验收报告 一般小范围的控制网 使用前要进行复测 主要复测检核方法就是全站仪测距检核网的基线长度和基线边的角度 第二节动态GPS的测量作业 定位原理划分单点动态定位相对动态定位差分动态定位实时性划分实时动态定位后处理动态定位定位的载体伪距动态定位载波相位动态定位 1 动态GPS的划分 误差源及其特征 卫星轨道误差 影响大小与测站位置有关 距离较近时 影响大小相近 误差的空间位置相关性 卫星钟差 影响大小与测站无关 时间相关性 大气折射 电离层 对流层折射 影响具有空间位置相关性多路径 与测站有关 测站间无关 2 差分GPS DGPS 基本思路 利用设于坐标已知的参考站 计算各类改正数 影响GPS测量定位的误差 40 差分GPS系统的构成基准站 Reference BaseStation 流动站 Mobile RoverStation 差分改正数 41 RTK 实时动态差分 系统构成参考站流动站数据链特点高精度动态测量 提供厘米级的平面和垂直定位解应用工程测量地形测量GPS潮位等高精度测量 42 发射电台 GPS主机 基准站 移动站 GPS主机 RTK测量原理图 采集器 接收电台 传统RTK RTK技术在应用中遇到的最大问题就是参考站校正数据的有效作用距离 网络RTK的兴起 网络RTK特点 线性衰减的单点GPS误差模型被区域型的GPS网络误差模型所取代 即用多个参考站组成的GPS网络来估计一个地区的GPS误差模型 并为网络覆盖地区的用户提供校正数据 用户收到的不是某个实际参考站的观测数据 而是一个虚拟参考站的数据 和距离自己位置较近的某个参考网格的校正数据 这就是VRS技术 45 VRS概念与特点 虚拟参考站技术 VRS 是GPS网络RTK中一种比较成熟的 可实时提供高精度导航定位信息的技术 它主要是利用网络内所有基准站原始观测数据 在流动站附近实时模拟一组参考站数据 实现对 参考站数据的模拟和重建 覆盖范围更广成本更低精度和可靠性更高应用范围更广改进了OTF初始化时间 46 VRS工作原理 47 利用基准站网计算出用户附近某点 虚拟参考站 各项误差改正 再将它们加到利用虚拟参考站坐标和卫星坐标所计算出的距离之上 得出虚拟参考站上的虚拟观测值 将其发送给用户 进行实时相对定位 利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统 ContinuousOperationalReferenceSystem 缩写为CORS 连续运行参考站 CORS 48 3 动态GPS的测量精度 49 4 RTK的测量实施步骤 架设基准站 设置好GPS主机工作模式打开手簿软件 连接基准站 新建项目 设置坐标系统参数 设置好基准站参数 使基准站发射差分信号 连接移动站 设置移动站 使得移动站接收到基准站的差分数据 并达到窄带固定解 移动站到测区已知点上测量出窄带固定解状态下的已知点原始坐标 根据已知点的原始坐标和当地坐标求解出两个坐标系之间的转换参数 打开坐标转换参数 则RTK测出的原始坐标会自动转换成当地坐标 到另外你至少一个已知点检查所得到的当地坐标是否正确 在当地坐标系下进行测量 放样等操作 得到当地坐标系下的坐标数据 将坐标数据在手簿中进行坐标格式转换 得到想要的坐标数据格式 注意事项 1 良好的卫星状态 2 控制测量的技术要求 3 转换参数求解当测区已有转换参数时 可直接利用 当没有已知参数时 要自行求解 须有不少于三个已知控制点且分布均匀 多方案取优应用 控制测量不能采用现场单点校正 4 基准站要求应设在高一级控制点上 如需长期使用应建立带强制对中装置的观测墩 尽量远离电磁波发射源 使用电台传输时 应保证发射天线有一定的高度 使用通信网络时 应保证网络能够完全覆盖 应正确设置软件及电台相关技术参数 投影参数 电台频率 数据端口等 避免出现串频现象 5 流动站要求不宜设在成片水域 隐蔽地带 强电磁干扰源附近作业范围不能超出规范规定范围 5km 流动站要保持与基准站的通讯连接及对卫星的连续锁定 数据采集时一定要是固定解 主要检查数据状态 卫星分布情况及精度因子 卫星失锁后要到已知点进行检核无误后方可继续工作 对中整平尽量采用三角架 多次观测求取平均值 中海达RTK工作流程1 新建项目 坐标系统 2 基准站链接 设置基准站 3 流动站设置和基准站基本相同数据采集 4 转换参数求解及应用 5 点放样 6 线放样 第四章GPS精度影响因素 一 与卫星有关的误差 二 卫星信号的传播误差 三 与接受设备有关的误差 四 其他误差 与卫星有关的误差 1 卫星钟差